Emergence of inductance and capacitance from topological electromagnetism

トポロジカル電磁応答に起因した創発インダクタンス・キャパシタンス

荒木 康史   ; 家田 淳一   

Araki, Yasufumi; Ieda, Junichi

トポロジカル絶縁体は電子が波数空間でトポロジカル構造を持つことにより、様々な非自明な電磁応答現象を示す。一方で、現在用いられているインダクタ・キャパシタの動作原理は、マクスウェル方程式によって記述される古典電磁気学に基づいている。本研究では絶縁体中のトポロジカル電磁応答が、磁性体中の磁化ダイナミクスと組み合わさることにより、インダクタンス・キャパシタンスを生み出すことを示す。まず、トポロジカル場の理論に基づいて、複素インピーダンスを導出する理論的枠組みを提案する。次にその理論に基づき、接合系のセットアップでインダクタンス・キャパシタンスが発現することを示す。金属磁性体における創発インダクタンスに関する先行研究と比較すると、トポロジカル絶縁体はジュール熱を抑制できるため、素子内での電力損失を大幅に抑制することができる。これによって、トポロジカル電磁応答に起因したインダクタンスは弱電流・高周波数での動作を可能とし、更に電力効率の面でも高い品質係数(Q値)を実現できることを示す。

Topological electromagnetism owing to nontrivial momentum-space topology of electrons in insulators gives rise to diverse anomalous magnetoelectric responses. While conventional inductors and capacitors are based on classical electromagnetism described by Maxwell's equations, here we show that topological electromagnetism in combination with spin dynamics in magnets also generates an inductance or a capacitance. We build a generic framework to extract the complex impedance on the basis of topological field theory, and demonstrate the emergence of an inductance or a capacitance in several heterostructure setups. In comparison with the previously-studied emergent inductances in metallic magnets, insulators highly suppress the power loss, because of the absence of Joule heating. We show that the inductance from topological electromagnetism is achieved at low current and high frequency, and is also advantageous in its power efficiency, as characterized by the high quality factor (Q-factor).